Vessel Advanced Clustered and Coordinated Energy Storage Systems

Molti paesi hanno adottato politiche e piani per ridurre la loro dipendenza dal petrolio per tutti i settori industriali e domestici per affrontare i cambiamenti ambientali e climatici causati dalle emissioni di gas a effetto serra, principalmente le emissioni di gas di carbonio. I sistemi di trasporto in tutto il mondo si basano principalmente su combustibili di carbonio con una quota del 92%, di cui gran parte è distribuita in aree affollate di città e porti, sebbene le emissioni di gas di carbonio siano al massimo degli effetti negativi sulla salute umana. Le emissioni marittime nell'UE rappresentano il 13,0% di tutti i modi di trasporto e l'UE ha pubblicato una legislazione riveduta sul clima e sull'energia per ridurre le emissioni di gas a effetto serra (GHG) di almeno il 55% entro il 2030. La proposta avrà un impatto diretto sul settore marittimo poiché il trasporto marittimo sarà incluso nel sistema di scambio di quote di emissione (ETS) dell'UE; sarà imposto un limite massimo all'intensità dei gas serra dell'energia utilizzata a bordo e determinati obblighi di utilizzare l'alimentazione elettrica a terra o la tecnologia a emissioni zero; e l'introduzione di un'aliquota fiscale minima su determinati combustibili/navi. La riduzione delle emissioni del trasporto marittimo richiederebbe la conversione dei sistemi di trasporto per via navigabile in modo che dipenda meno dai combustibili che emettono carbonio con un'elevata efficienza energetica utilizzando tecnologie abilitanti e innovative, che convertono e operano su vettori energetici puliti come l'elettricità e l'idrogeno. Essendo la più flessibile, l'energia elettrica viene adottata per la decarbonizzazione dei trasporti ed è stata dimostrata in molti progetti in tutto il mondo e viene utilizzata per il trasporto su strada attraverso la produzione e l'utilizzo di auto elettriche. Tuttavia, per il trasporto per via navigabile, l'adozione dell'elettrificazione di bordo è ancora agli inizi e devono essere affrontate alcune problematiche impegnative come l'adeguamento dell'accumulo di energia elettrica a bordo, la definizione dell'architettura ottimale del sistema di alimentazione, l'integrazione del sistema, i carichi transitori o requisiti di potenza di picco, ad es. per posizionamento dinamico, scenari operativi e sistemi di controllo efficienti. Mentre il sistema di accumulo di energia elettrica a lungo termine (EESS) è certamente necessario come motore principale per le navi elettriche, come le batterie agli ioni di litio, il loro peso elevato deve essere ottimizzato per lunghi viaggi in mare. D'altra parte, avere un sistema di accumulo di energia a breve termine con una maggiore capacità di potenza di picco, può migliorare la manovrabilità delle navi, dimostrata dalla sua capacità di erogare e assorbire carichi transitori e energia rigenerativa. Consentire a questi EESS di funzionare correttamente in un'operazione coordinata nello scenario peggiore di richiesta e ripristino di energia è un processo impegnativo. In letteratura sono state proposte diverse architetture di rete AC/DC per navi, ma non ce n'è una specifica che possa essere un candidato adatto per la maggior parte dei tipi di applicazioni. In generale, l'integrazione dell'EESS di diverse caratteristiche all'interno della rete elettrica della nave può essere problematica ed è altamente richiesto l'interconnessione di convertitori di potenza-elettronici con un sistema di controllo dinamico a più livelli. Inoltre, manca ancora una valutazione dettagliata dei vantaggi operativi dell'utilizzo di tecnologie di accumulo innovative rispetto alle batterie e il caso di sicurezza non è stato ancora dimostrato. Pertanto, oltre alla valutazione tecnica sui potenziali miglioramenti di efficienza associati all'adozione di questi dispositivi di accumulo di energia e alla determinazione di quando saranno più vantaggiosi, sarà essenziale intraprendere anche una valutazione approfondita dei potenziali rischi e pericoli per la sicurezza connessi al loro utilizzo per stabilire rotte adeguate per ottenere la certificazione marittima e quindi sfruttarne i vantaggi tecnici.

Many countries have adopted policies and plans to reduce their dependencies on oil for all industrial and domestic sectors to tackle environmental and climate changes caused by GHG emissions, mainly carbon gas emission. Transport systems worldwide mostly rely on carbon fuel at 92% share, where a large portion of it is distributed within crowded areas in cities and ports though carbon gas emission is at its highest adverse effects on human health. Maritime emissions in EU accounts for 13.0% of all transport modes and the EU has published a revised climate and energy legislation to reduce greenhouse gas (GHG) emissions by a minimum 55% by 2030 . The proposal will have a direct impact on the maritime sector as maritime transport will be included in the EU Emissions Trading System (ETS); a maximum limit will be imposed on the greenhouse gas intensity of energy used on-board and certain obligations to use on-shore power supply or zero-emission technology; and the introduction of a minimum tax rate on certain fuels / vessels. Reducing the emissions of maritime transport would necessitate the conversion of waterborne transport systems to be less dependent on carbon emitting fuels with high energy efficiency utilizing enabling and innovative technologies, which convert and operate on clean energy carriers such as electricity and hydrogen. Being the most flexible, electrical energy is being adopted for transport decarbonisation and has been demonstrated in many projects around the world and is being deployed for road transport through electric car production and utilisation. However, for waterborne transport the adoption of on-board electrification is still in its infancy and some challenging issues have to be addressed such as adaptation of on-board electrical energy storage, definition of the optimal power system architecture, system integration, transient loads or peak-power requirements, e.g. for dynamic positioning, operational scenarios and efficient control systems. Whilst long-term electrical energy storage system (EESS) is certainly needed as a prime mover for electric vessels, such as Li-ion batteries, their heavy weight needs to be optimized for long sea trips. On the other hand, having a short-term energy storage system with higher peak-power capability , can enhance the manoeuvrability of the vessels, demonstrated by its ability to deliver and absorb transient loads and regenerative power. Enabling these EESS to function correctly in co-ordinated operation under worst-case scenario of power demand and recovery is a challenging process. Different ship AC/DC-grid architectures have been proposed in the literature but there is no specific one that can be a suitable candidate for most types of applications. In general, integrating the EESS of different characteristics within the ship power network can be troublesome, and interconnecting power-electronic converters with dynamic, multi-tier control system is highly required. Also, a detailed assessment of the operational advantages of using innovative storage technologies in comparison with batteries is still missing and the safety case has not been proven yet. Therefore, beside the technical evaluation on the potential efficiency improvements associated with the adoption of these energy storage devices and the determination of when they will be most beneficial, it will be essential also to undertake an in-depth assessment of the potential risks and safety hazards connected to their usage to establish adequate routes to achieve marine certification and then exploit their technical advantages.